Поступление питательных веществ в клетку

Питательные вещества в клетку поступают двумя путями: путем осмоса и путем адсорбции. Путем осмоса в клетку поступают минеральные вещества растворенные в воде. движущей силой осмоса является разность концентраций растворов, т.е осмотическое давление по обе стороны ЦПМ. Микробная клетка  живет на субстрате в котором осмотическое давление несколько меньше осмотического давления клетки, поэтому для выравнивания осмотического давления по обе стороны ЦПМ в клетку будет направлен ток воды с растворенными в ней минеральными элементами и причем каждое вещество диффундирует в клетку в соответствии со своим парциальным давлением. При поступлении питательных веществ в клетку цитоплазма будет находиться в набухшем напряженном состоянии и плотно прижата к ЦПМ, оказывая постоянное давление. Такое жизненно-важное состояние клетки наз. тургор. Потеря тургора может привести клетку либо к замедлению ее жизнедеятельности, либо к гибели.

Потери тургора

Если клетку поместить на субстрат, осмотическое давление которого больше осмотического давления клетки, то по законам осмоса из клетки будет выходить свободная вода, при этом цитоплазма обезвоживается,  сворачивается в клубок и отстает от клеточной стенки. Такое явление потери тургора – плазмолиз. При этом клетка не погибает, а переходит в состояние анабиоза. Это явление обратимо.

Если клетку поместить на субстрат осмотическое давление которого намного меньше чем в микробной клетке, то по законам осмоса в клетку будет направлен ток воды. Вода будет направлена в клетку, при этом вода будет поступать в неограниченном количестве. Цитоплазма набухает, клеточная оболочка не выдерживает и разрывается, клетка погибает. Такое явление потери тургора наз. плазмоптиз. Этот процесс необратим.

Адсорбция

Путем адсорбции в клетку поступают растворенные в воде органические вещества с молекулярной массой меньше 1000. При этом питательные вещества вначале сорбируются на поверхности клеточной оболочки, а затем к ним изнутри подходят специальные белки, т.е ферменты-переносчики пермеазы, которые связываются с этими веществами и протаскивают их в клетку. Пермеазы обладают специфичностью действия, т.е каждый из них способствует прохождению в цитоплазму строго определенного вещества. Если диффузия идет по градиенту концентрации, то она не требует затрат энергии в виде АТФ и поэтому наз. облегченной диффузией. Если адсорбция происходит против градиента концентрации, то это требует затрат энергии АТФ и такой процесс наз. активным транспортом.

Цитоплазматическая мембрана ( ЦПМ ) играет важную роль в обмене веществ бактерий, играя роль осмотического барьера, контролирующего поступление и выход различных веществ из клетки. Иными словами, ЦПМ — физический, осмотический и метаболический барьер между внутренним содержимым бактериальной клетки и внешней средой.

Состав цитоплазматической мембраны бактерий

Как и многие биологические мембраны, цитоплазматическая мембрана ( ЦПМ ) состоит из двух слоев липидов и встроенных в лигшдную мембрану белковых молекул. В состав ЦПМ бактерий входят белки (20-75%), липиды (25-40%), углеводы и РНК (последние два компонента присутствуют в незначительных количествах). Компоненты цитоплазматической мембраны ( ЦПМ ) составляют около 10% сухого веса бактериальной клетки.

Плазмолиз (от др.-греч. πλάσμα — вылепленное, оформленное и λύσις — разложение, распад), отделение протопласта от клеточной стенки в гипертоническом растворе.

Плазмолизу предшествует потеря тургора.

Плазмолиз возможен в клетках, имеющих плотную клеточную стенку (у растений, грибов, крупных бактерий^[1]). Клетки животных, не имеющие жесткой оболочки, при попадании в гипертоническую среду сжимаются, при этом отслоения клеточного содержимого от оболочки не происходит. Характер плазмолиза зависит от ряда факторов:

• от вязкости цитоплазмы;

• от разности между осмотическим давлением внутриклеточной и внешней среды;

• от химического состава и токсичности внешнего гипертонического раствора;

• от характера и количества плазмодесм;

• от размера, количества и формы вакуолей.

Различают уголковый плазмолиз, при котором отрыв протопласта от стенок клетки происходит на отдельных участках, выпуклый плазмолиз, когда отслоение захватывает значительные участки плазмалеммы, и вогнутый, полный плазмолиз, при котором связи между соседними клетками разрушаются практически полностью. Выпуклый плазмолиз часто обратим; в гипотоническом растворе клетки вновь набирают потерянную воду, и происходит деплазмолиз. Вогнутый плазмолиз обычно необратим и ведет к гибели клеток.

Выделяют также судорожный плазмолиз, подобный выпуклому, но отличающийся от него тем, что сохраняются цитоплазматические нити, соединяющие сжавшуюся цитоплазму с клеточной стенкой, и колпачковый плазмолиз, характерный для удлиненных клеток.

Плазмоптиз (Плазмо- — греч. ptisis дробление) набухание микробных клеток и разрушение их оболочек в гипотоническом растворе.

35.

Ферменты и химический состав микробной клетки

Изучением жизненных функций микроорганизмов, таких как питание, дыхание, рост и размножение, занимается физиология.

В основе физиологических функций лежит непрерывный обм6ен веществ – метаболизм.

Сущность обмена веществ составляют два противоположных и вместе с тем взаимозависимых процесса: ассимиляция (анаболизм) и диссимиляция (катаболизм).

В процессе ассимиляции происходит усвоение питательных веществ и использование их для синтеза клеточных структур.

При процессах диссимиляции питательные вещества, разлагаются и окисляются. При этом выделяется энергия, необходимая для жизни микробной клетки.

В результате распада питательных веществ, происходит расщепление сложных органических соединений на более простые, низкомолекулярные. Часть из них выводится из клетки, а другие снова используются клеткой для синтетических реакций и включаются в процессы ассимиляции.

Все процессы синтеза и распада питательных веществ совершаются с участием ферментов. Микроорганизмы содержат ферменты, благодаря которым осуществляют функции обмена веществ.

Ферменты – это вещества сложной природы, вырабатываемые живой клеткой. Они являются биологическими катализаторами и играют важную роль в обмене веществ микроорганизмов.

По химическому строению, свойствам и механизму действия ферменты микробов сходны с ферментами, образующимися в клетках и тканях животных и растительных организмов.

Ферменты микробной клетки в основном локализуются в цитоплазме, некоторые же содержатся в клеточной оболочке.

Микроорганизмы синтезируют ферменты, относящиеся к шести классам: оксидоредуктазы, лиазы, трансферазы, лигазы, гидролазы, изомеразы.

Характерными свойствами ферментов является специфичность их действия, т.е. каждый фермент реагирует с определенным субстратом или катализирует одну или несколько близких химических реакций.

Ферменты микроорганизмов классифицируется на экзоферменты и эндоферменты, на конститутивные и индуктивные (адаптивные).

Экзоферменты, выделяясь в окружающую среду, расщепляют макромолекулы питательных веществ до более простых соединений, которые могут быть усвоены микробной клеткой. К экзоферментам относятся гидролазы, вызывающие гидролиз белков, жиров, углеводов. В результате гидролиза белки расщепляются на аминокислоты и пептоны, жиры – на жирные кислоты и глицерин, углеводы (полисахариды) – на дисахариды и моносахариды. Расщепление белков вызывают ферменты протеазы, жиров – липазы, углеводов – карбогидразы.

Эндоферменты участвуют в реакциях обмена веществ, происходящих внутри клетки.

Конститутивные ферменты постоянно находятся в микробной клетке независимо от условий ее существования. Это в основном ферменты клеточного обмена – протеазы, липазы, карбогидразы и др.

Индуктивные (адаптивные) ферменты синтезируются в клетке только под влиянием соответствующего субстрата, находящегося в питательной среде и когда микроорганизм вынужден усваивать этот субстрат. Индуктивные ферменты позволяют микробной клетке приспособиться к изменившимся условиям существования.

Обмен веществ микроорганизмов включает два основных процесса – получение энергии (энергетический обмен) и биосинтез веществ клетки (конструктивный обмен).

Конструктивный и энергетический процессы представляют различные стороны единого обмена веществ. Они протекают в клетке в виде сопряженных химических реакций. Нередко для конструктивных и энергетических целей используется одно и тоже вещество.

Чтобы осуществлять биосинтез, расти и размножаться клетка должна получать извне в необходимых количествах все содержащиеся в ней элементы и должна быть обеспечена источником энергии.

Для понимания процессов обмена веществ, происходящих в микробных клетках, необходимо знать химический состав микроорганизмов.

Бактерии, спирохеты, микоплазмы, актиномицеты, риккетсии, хламидии, несовершенные и дрожжеподобные грибы, простейшие содержат те же химические вещества, что и клетки всех живых организмов.

В наибольшем количестве в клетках содержатся углерод, азот, водород и кислород. Их называют важнейшими элементами – органогенами и они используются для построения сложных органических веществ: белков, углеводов, липидов.

В значительном количестве в клетке обнаруживаются фосфор и сера, в небольшом количестве – микроэлементы (Fe, Mg, Mn, Cu, K, Ca, Na, Zn и др.) Все эти элементы в клетке находятся в различных соединениях. Большая их часть представлена органическими соединениями, входящими в состав «сухого вещества», на долю которого приходится 15 – 20%. Но самым значительным компонентом клетки в количественном отношении является вода, которая составляет 75 – 85%.

Значение воды в жизнедеятельности клетки очень велико. Все вещества поступают в клетку с водой и с ней же из клетки удаляются продукты обмена.

Вода в микробной клетке находится в свободном состоянии как самостоятельное соединение, но большая ее часть связана с различными химическими компонентами клетки (белками, углеводами, липидами) и входит в состав клеточных структур.

Свободная вода принимает участие в реакциях, протекающих в клетке, является растворителем различных химических соединений, а также служит дисперсной средой для коллоидов. Содержание свободной воды в клетке может изменяться в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста (у споровых форм микробов воды меньше, чем у вегетативных клеток, наибольшее количество воды отмечается у капсульных бактерий).

Белки составляют 50 – 80% сухого вещества и определяют важнейшие биологические свойства микроорганизмов. Это простые белки – протеины и сложные белки – протеиды. Большое значение в жизнедеятельности клетки имеют нуклеопротеиды – соединение белка с нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК). Кроме нуклеопротеидов в микробной клетке содержатся в незначительных количествах липопротеиды, гликопротеиды, хромопротеиды.

Белки распределены в цитоплазме, нуклеоиде. Они входят в состав структуры клеточной стенки. Белковую природу имеют ферменты, многие токсины (яды микроорганизмов).

От количественного и качественного состава белковых веществ зависит видовая специфичность микроорганизмов.

Нуклеиновые кислоты в микробной клетке выполняют те же функции, что и в клетках животного происхождения.

ДНК содержится в нуклеоиде и обуславливает генетические свойства микроорганизмов. РНК принимает участие в биосинтезе клеточных белков, cодержится в ядерной субстанции и в цитоплазме. Общее количество нуклеиновых кислот колеблется от 10 до 30% сухого вещества микробной клетки и зависит от ее вида и возраста.

Углеводы составляют 12 – 18% сухого вещества и используются микробной клеткой в качестве источника энергии и углерода. Из них состоят многие структурные компоненты клетки (клеточная оболочка, капсула и пр.).

Углеводы входят также в состав тейхоевой кислоты, характерной для грамположительных бактерий.

Клетки микроорганизмов содержат простые (моно- и дисахариды) и высокомолекулярные (полисахариды) углеводы. У некоторых бактерий могут быть включения, напоминающие по химическому составу гликоген и крахмал, играющих роль запасных веществ в клетке.

Углеводный состав у разных видов микроорганизмов различен и зависит от их возраста и условий развития.

Липиды, составляющие 0,2 – 40% сухого вещества, являются необходимыми компонентами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. Они участвуют в энергетическом обмене. В некоторых микробных клетках липиды выполняют роль запасных веществ.

Липиды состоят в основном из нейтральных жиров, жирных кислот, фосфолипидов. Общее количество их зависит от возраста и вида микроорганизмов. В клетках микроорганизмов липиды могут быть связаны с углеводами и белками, составляя сложный комплекс, определяющий токсические свойства микроорганизмов.

Минеральные вещества – фосфор, натрий, калий, магний, сера, железо, хлор и другие – в среднем составляют 2 – 14% сухого вещества.

Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, многих ферментов, а также в состав АЕФ, которая является аккумулятором энергии в клетке. Железо содержится в дыхательных ферментах. Магний входит в состав рибонуклеата магния, который локализован на поверхности грамположительных микробных клеток.

Микроэлементы участвуют в синтезе некоторых ферментов и активируют их. Соотношение отдельных химических элементов в микробной клетке может колебаться в зависимости от вида микроорганизмов, состава питательной среды, характера обмена и условий существования во внешней среде.

36

Характеристика аэробных и анаэробных микроорганизмов. Сущность и химизм дыхания у микроорганизмов

Потребность в энергии обеспечивается процессами энергетического обмена, сущность которых заключается в окислении органических веществ, сопровождаемом выделением энергии. Получаемые при этом продукты окисления выделяются в окружающую среду. Окисление веществ может происходить разными путями:

- прямым, т.е. присоединением к веществу кислорода; непрямым, т.е. - дегидрогенированием (отнятием водорода).

Схематично реакцию окисления-восстановления при участии фермента дегидрогеназы можно представить следующим образом:

АН + ВА + ВН + энергия

Способы получения энергии у микроорганизмов разнообразны. В 1861 г. Французский ученый Л. Пастер впервые обратил внимание на уникальную способность микроорганизмов развиваться без доступа кислорода, в то время как все высшие организмы - растения и животные - могут жить только в атмосфере, содержащей кислород. По этому признаку (типам дыхания) Л. Пастер разделил микроорганизмы на две группы - аэробы и анаэробы.

- Аэробы для получения энергии осуществляют окисление органического материала кислородом воздуха. К ним относятся грибы, некоторые дрожжи, многие бактерии и водоросли. Многие аэробы окисляют органические вещества полностью, выделяя в виде конечных продуктов СО и НО. Этот процесс в общем виде может быть представлен следующим уравнением:С Н О + О = СО + Н О + 2822 кДж

При неполном окислении энергетического материала высвобождается соответственно меньшее количество энергии. Часть потенциальной энергии окисляемого вещества остается в продуктах неполного окисления. Например, уксуснокислые бактерии окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты и воды:

СН ОН + О = СН СООН + НО + 504 кДж.

- Анаэробы - это микроорганизмы, способные к дыханию без использования свободного кислорода. Анаэробный процесс дыхания у микроорганизмов происходит за счет отнятия у субстрата водорода. Типичные анаэробные дыхательные процессы принято называть брожениями. Примерами такого типа получения энергии могут служить спиртовое, молочнокислое и маслянокислое брожение.

С Н О = С Н ОН + СО + 118 кДж.

Отношение анаэробных микроорганизмов к кислороду различно. Один из них совсем не переносят кислорода и носят название облигатных, или строгих, анаэробов. К ним относят возбудители маслянокислого брожения, столбнячная палочка, возбудители ботулизма. Другие микробы могут развиваться как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Их называют факультативными, или условными анаэробами; это молочнокислые бактерии, кишечная палочка, протей, дрожжи и др. В энергетическом отношении аэробное дыхание во много раз выгоднее анаэробного. Так, при аэробном процессе окисления глюкозы до углекислого газа и воды высвобождается примерно в 25 раз больше энергии, чем при анаэробном процессе) например, спиртовом брожении). Это объясняется тем, что конечные продукты, получающиеся в результате анаэробного окисления, всегда представляют собой сложные органические соединения, имеющие большой запас энергии - спирты, кислоты и др. В связи с этим многие процессы брожения находят применения для получения ценных пищевых и технических продуктов.

37

Психрофильные микроорганизмы

(от греч. psychrós — холодный и philéo — люблю)

        криофильные микроорганизмы, бактерии, дрожжи, микроскопические грибы и водоросли, способные расти при низких температурах (от + 5 до —6 °С). При более высоких температурах размножаются быстрее. В отличие от мезофильных микробов, совсем не растут при 27—37 °С. П. м. обитают в водах Арктики и Антарктики, на поверхности снега и ледников в горах. Некоторые П. м. образуют оранжевые или красные пигменты; развиваясь на поверхности снега, они окрашивают его в красный цвет («красный снег»). Размножаясь на мясе, фруктах и других пищевых продуктах, сохраняемых в холодильниках, П. м. вызывают порчу продуктов.

Мезофильные микроорганизмы

группа микробов, температурные границы роста к-рых находятся в пределах 20 -45°С (оптимальная температура 35-37°С). Нижняя граница температуры покоя и смерти в зависимости от видовой принадлежности и формы существования начинается от 20°С и простирается до глубоких минусовых температур. Верхняя граница зоны покоя начинается с 40 -45°С, смерти у вегетативных форм большинства видов 60 -70°С при часовой экспозиции, спор во влажной среде- 100- 130°С при получасовой экспозиции, в сухой среде -180°С также при получасовой экспозиции. Обитают в организме теплокровных животных, в почве, воде, др. средах, содержащих достаточную влажность и питательные вещества в пределах своей температурной зоны роста. Могут некоторое время переживать в воздухе.

тЕРМОФИЛЬНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ

(от греч. therme —тепло, жар и phileo — имею склонность, люблю), микроорганизмы, способные существовать и развиваться при t 55—75 ⁰С. Среди Т. м. преобладают спороносные формы бактерий. Т. м. используют для практич. целей. Напр., метановые бактерии — продуценты витамина B₁₂, актиномицеты — продуценты антибиотиков.

Термофильные микроорганизмы

группа микроорганизмов, нижняя граница роста к-рых выше 45°С . Выделяют термотолерантные, факультативные и облигатные Т. м. Оптимальная зона роста термофильных микробов равна 45-50° С , но они могут размножаться и при более низких температурах (до 30°С). Зона роста факультативных Т. м. соответствует 5 -65°С, но задержанный рост может наблюдаться при более низких температурах. Температурные границы роста облигатных Т. м. равны 45 -93°С. Предельные температуры роста простейших находятся в границах 56°С, водорослей - 55 -60°С , грибов- 60 -62°С, фотобактерий- 70 -72°С , хемолитотрофов и гетеротрофов- выше 90°С. Архебактерии могут размножаться в средах с температурой в несколько сотен градусов, но не растут при 100°С. Облигатные Т. м. обитают в фумаралах кипящих и горячих водоисточниках, промышленных и бытовых водах, самовозгорающихся материалах, конденсатах паровых труб.

Практическое значение термофильных бактерий и актиномицетов

        Термофильные бактерии используют для получения микробной биомассы, очистки сточных вод. Ценными являются продукты обмена веществ термофилов, выделяющиеся в окружающую среду. Эти микроорганизмы продуцируют такие физиологически активные вещества, как антибиотики, витамины, ферменты.

        Обычно для получения микробной биомассы используют термотолерантные дрожжи. Их выращивают на средах, содержащих углеводы (сусловые среды), некоторые спирты или углеводороды нормального строения (н-алканы). В последнее время для этих целей применяют и термофильные бактерии.

        Выросшая микробная биомасса вполне полноценна в пищевом отношении: содержит 40— 60% белка, незаменимые аминокислоты, разнообразные витамины. Высушенная биомасса (в виде муки) — белково-витаминный концентрат (БВК) — в небольшом количестве добавляется к пищевому рациону животных.

        Продукты обмена веществ термофильных бактерий нашли широкое применение в промышленности. Так, молочнокислые бактерии Bact. delbriickii используются как активные кислотообразователи. Еще в 1923 г. В. М. Шапошникову и А. Я. Мантейфель удалось наладить производство молочной кислоты с помощью термофильных бактерий. Ряд термофильных молочнокислых бактерий применяется в молочной промышленности для получения высококачественного творога.

        Из различных физиологически активных веществ, продуцируемых термофильными микроорганизмами и используемых в практике, огромное значение имеют ферменты.

        Список ферментов, продуцируемых термофильными микроорганизмами и применяемых в промышленности, очень обширен.

        Так, в текстильной промышленности А. А. Имшенецким с сотрудниками была применена амилаза. Этот фермент образовывала термофильная бактерия Вас. diastaticus. Амилаза используется и в спиртовой промышленности для размягчения зерновых и картофельных сред при высоких температурах.

        Протеазы применяют для переработки сырья животного происхождения (обезволашивания кожи, получения клея и т. д.). Выделены и изучены термофильные актиномицеты, активно образующие протеолитические и амилолитические ферменты, комплекс целлюлозо- и гемицеллюлозолитических ферментов.

        Для получения целлюлолитических ферментов пытались использовать термофильные ана эробные бактерии и актиномицеты. С помощью целлюлолитических ферментов можно повысить питательную ценность грубых кормов для животных, осахаривать сульфатную целлюлозу до глюкозы, получая таким образом из непищевого сырья ценный питательный продукт. Эти ферменты способны расщеплять полисахариды одревесневших растительных материалов (шелуха злаковых культур, подсолнечная лузга) до сахаров (глюкозы и ксилозы). Следовательно, открывается возможность замены кислотного гидролиза древесины и различпых отходов ферментативным гидролизом. При этом полностью ликвидируются расход минеральных кислот и необходимость применения высоких температур и давлений при превращении целлюлозы в сахара.

        Чешские ученые используют термофильные грибы и актиномицеты, которые продуцируют разлагающие целлюлозу ферменты, для воздействия на различные субстраты.

        Л. Г. Логиновой выделен термофильный актиномицет Micromonospora vulgaris штамм РА-П4, образующий комплекс литических ферментов. Эти ферменты разрушают клеточные стенки различпых бактерий и дрожжей (мертвых и живых). Литические ферменты могут найти применение в различных областях народного хозяйства: в повышении усвояемости и питательной ценности кормовой микробной биомассы, в борьбе с бактериальными инфекциями человека и животных и в других областях.

        Термофильные бактерии издавна применяются для очистки сточных вод. Интерес к метановому брожению резко возрос, когда была обнаружена способность бактерий продуцировать витамин В12. В. Н. Букин показал возможность получения этого ценного витамина при сбраживании термофильными метановыми бактериями ацетоно-бутиловой барды. Одновременно может быть собран выделяющийся при этом метан (10—20 м3 на 1 м3 сброженной жидкости).

        Термофильные микроорганизмы играют существенную роль в круговороте веществ в природе: в разрушении нефтей и озокеритов, превращениях серы и других процессах.

        В ряде промышленных производств термофильные бактерии могут приносить и существенный вред: вызывают заражение сусла на пивоваренных заводах, порчу консервов (особенно анаэробные бактерии), сгущенного стерилизованного молока, сахарных сиропов. Поэтому необходимы надежные методы стерилизации.

        Как для культивирования полезных форм термофильпых бактерий, так и для методов борьбы с вредными для определенных процессов видами необходимо вести глубокое изучение морфологических, физиологических и биохимических особенностей этих микроорганизмов.

38.